Данный раздел изучается в 11 классе

Для школы изучение теории относительности является новым. Причины столь позднего введения этой темы в старшей школе таковы, что ее выводы противоречат здравому смыслу. Выводы отныне не стали менее парадоксальными, однако уже со временем стали более привычными. И введение их в школьную программу не кажется столь необычным и невозможным. В последнее десятилетие выводы теории относительности стали широко использоваться в практике для расчета лектромагнитного выхода ядерных реакций. Кроме того изучение теории относительности необходимы в целях формирования научного мировоззрения у школьников. Важно ознакомить учащихся с современным учением о пространстве и времени, убедить, что Ньютоновские представления об абсолютном пространстве и абсолютном времени ограничено и метафизично.

Программа общеобразовательной средней школы предлагает ознакомить учащихся с принципом относительности Эйнштейна, дать представление о скорости света в вакууме как предельной скорости передачи сигнала, изучить релятивистские законы сложения скоростей, зависимость импульса от скорости, взаимосвязь массы и энергии.

Последовательность изучения: законы электродинамики и принцип относительности, постулаты теории относительности, относительность одновременности, основные следствия вытекающие из постулатов теории относительности, зависимость массы от скорости, релятивистская динамика, связь между массой и энергией. Изучение элементов теории относительности рекомендуют начинать с повторения материала об относительности, который знаком учащимся. На повторение отводят 1-2 урока. Вначале учащиеся говорят, что важным был вопрос о том, распространяются ли принципы относительности на явления электродинамики или нет, одни опыты подтверждали принципы Галилея, а другие опровергали. Эту трудность преодолел Эйнштейн, создав СТО. Он сказал, что сложившиеся противоречия можно снять, но для этого необходимо пересмотреть классические представления о существовании абсолютного пространства и времени.

Основные законы и правила:

1. СТО Эйнштейна основывается на двух постулатах.

Принцип относительности – главный постулат этой теории. Он гласит: все процессы природы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

2. Согласно второму постулату скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчета. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника светового сигнала.

3. Теория относительности представляет собой новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену старым классическим представлениям. Согласно теории относительности одновременность событий, расстояние и промежутки времени являются не абсолютными, а относительными. Они зависят от системы отсчета.

относителность расстояний, относительность промежутков времени

4. Релятивистский закон сложения скоростей:

Из теории относительности вытекает, что скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе.

5. При увеличение скорости тела его масса m не остается постоянной; она тоже увеличивается в соответствии с формулой:

, где m₀ - масса покоящегося тела.

Релятивистский импульс выражается:

С учетом этого выражения для импульса можно основной закон релятивистской динамики записать в той же форме, что и второй закон Ньютона:

6. Важнейшим для ядерной физики и физики элементарных частиц следствием теории относительности является вывод о связи между массой и энергией. Энергия E тела или системы тел равна массе, умноженной на квадрат скорости света:

Выражение E₀=m₀c² представляет собой энергию покоя.

7. При скоростях движения, много меньших скорости света, справедливы классические представления о пространстве и времени и законы механики Ньютона. Это проявление общего принципа соответствия физических теорий.

Основные демонстрационные эксперименты (нет):

В качестве опытного обоснования принципа относительности Эйнштейна следует рассмотреть опыт Майкельсона – отрицательный результат этого опыта доказывает неправильность его исходной посылки о существовании абсолютной системы отсчета – эфира, в котором якобы развертываются все электромагнитные явления. Все инерциальные системы отсчета равноправны, законы природы в них одинаковы.

(прод18) В этой формуле х₀ – координата точки в начальный момент времени t₀, а V_х – проекция скорости на ось Ох.

6. Чтобы описать неравномерное движение точки, надо уметь рассчитывать ее скорость в любой момент времени. Для этого вводят величину, характеризующую быстроту изменения скорости, которую называют ускорением.

7. Если ускорение постоянно, то есть модуль и направление его не меняется со временем, то оно определяется по формуле где - изменение скорости за промежуток времени . 8.При движение с постоянным ускорением скорость точки и её радиус-вектор в любой момент времени вычисляются по формулам ,

9. Движение с постоянным ускорением может быть как прямолинейным, так и криволинейным. Когда начальная скорость точки равна нулю или же направлена вдоль той же прямой, что и ускорение, то точка движется прямолинейно вдоль этой прямой.10.Если же начальная скорость и ускорение не направлены вдоль одной прямой, точка движется криволинейно. Причем криволинейное движение с постоянным ускорением всегда происходит в той плоскости, в которой находятся векторы ускорения и начальной скорости точки. 11. В случае криволинейного движения с постоянным ускорением в плоскости хОу проекции V_х и V_у её скорости в любой момент времени t определяются по формулам

, ,

где х₀ – координата точки в начальный момент времени, V_0х – проекция начальной скорости на ось Ох, а_х – проекция ускорения

12. Равномерное движение точки по окружности является движением с переменным ускорением, так как ускорение непрерывно изменяется по направлению.

13. Из всех движений твердого тела самыми простыми являются поступательное и вращательное.

При поступательном движение все точки тела движутся одинаково, то есть имеют равные скорости, ускорения, совершают одинаковые перемещения, описывают одинаковые траектории и проходят равные пути. Поэтому лишь при этом движение имеют точный смысл понятия «скорость тела» и «ускорение тела». Для описания поступательного движения тела достаточно проследить за движением одной из его точек.

При вращательном движение все точки тела описывают окружности, центры которых находятся на одной и той же неподвижной прямой, называемой осью вращения. Угловая скорость ω при равномерном вращение тела вычисляется по формуле: ,где - угол поворота тела за время t..

Выражение для угловой скорости через период и частоту ращения запишутся в виде: Воспользовавшись связью между линейной и угловой скоростями, можно выразить модуль ускорения точки, движущейся равномерно по кружности, через угловую скорость тела и радиус окружности:

(прод17)Существование электромагнитных волн предсказал в 1832 году Фарадей, а в 1865 г. Максвелл теоретически показал, что электромагнитное поле должно распространятся в вакууме со скоростью света. Изучение электромагнитных волн проводят на качественном уровне, сообщая школьникам основные выводы из теории и экспериментальные факты, применяя модельные представления, графики и другие средства, обеспечивающие наглядность при изучении этого сложного материала. Важно подчеркнуть, что теоретическое представление Максвелла о существовании электромагнитных волн было экспериментально подтверждено Герцем в 1888г., это сыграло важную роль в утверждении теории Максвелла. В электромагнитной волне вектор E и B перпендикулярны друг другу, и лежат в плоскости перпендикулярной к направлению распространения волны. Это дает возможность утверждать, что электромагнитные волны поперечны. Векторы E и B колеблются в одинаковой фазе, т.е. одновременно превращаются в ноль и одновременно достигают максимума. Это дает возможность изобразить графики изменения E и B в направлении распространения волны, показать направление скорости. Совпадения скорости электромагнитной волны со скоростью света дало Максвеллу возможность предположить, что свет имеет электромагнитную природу. Это подтвердилось и благодаря этому в истории науки произошло объединение оптики и электромагнетизма в одно учение.

При начальном объяснении образования и распространения волн надо исходить из того, что изучено. Можно предположить процесс распространения электромагнитного поля, т.е. образование электромагнитных волн в свободном пространстве.

Из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны переносят энергию. Энергия, переносимая волной количественно характеризуется вектором плотности потока энергии (вектора Умова-Пойтинга). В школе ограничиваются констатацией факта переноса волной энергии в направлении распространения волны, а также выводом, что электромагнитная волна должна обладать импульсом и благодаря этому оказывать давление на тела.

При раскрытии процесса излучения электромагнитных волн идут одним из следующих путей: 1. Рассмотрения электромагнитных колебаний, которые возникают в колебательном контуре. 2. Рассмотрения недостатков закрытого колебательного контура, как излучателя и постепенного изменения электроемкости конденсатора и индуктивности катушки, переходят к открытому колебательному контуру – вибратору. Для получения электромагнитных волн Герц использовал устройство, которое назвал вибратором Герца. Для возбуждения колебаний в нем поступают так: провод разделяют посредине так, чтобы остался небольшой промежуток, называемый искровым. Обе части провода заряжаются до высокой разницы потенциалов. Когда разность потенциалов превышает некоторое предельное значение, проскакивает искра и в открытом колебательном контуре возникает потенциал. Поля в открытом колебательном контуре затухают по двум причинам: 1) вследствие наличия у контура активного сопротивления; 2) вибратор излучает электромагнитные волны и теряет энергию. Когда колебания прекращаются, оба проводника вновь заряжают от источника до наступления пробоя искрового промежутка и все повторяется.

Плотностью потока электромагнитного излучения I называют отношение электромагнитной энергии , прошедшей за